水文土壤学是一门有关土壤学与水文学的新兴交叉学科 ，自 2003 年提出以来，已在全球范围兴起并快速发展。水文土壤学综合研究不同时空尺度土壤与水的相互作用关系，在地球表层系统科学综合集成研究中具有特殊地位和重要作用。

水文土壤学旨在解决两个基本科学问题 ：（ 1 ）土壤结构及 土壤－景观格局在不同时空尺 度如何主导和影响水文过程以及与其相关的生物地球化学循环和生态系统演变，（ 2 ）景观系统水文过程如何影响土壤发育、演变、异质性及功能。

水文土壤学强调不同圈层间的相互联系及其界面间的通量和动态变化，可实现不同学科、不同空间尺度和数据资料间的融合和应用，解决土壤孔隙－土体－流域－区域乃至全球的空间尺度转换问题，有助于深入认识和解决当前生态、环境、农业、地质和自然资源领域的相关重要科学问题，可广泛应用于流域水文循环与水管理、土地退化与生态修复、全球变化及其响应、生物地球化学循环、土壤污染和精准农业等领域。

 

▲ 水文土壤学与土壤物理学、土壤发生学和水文学关系（Lin，2003）

2003 年 Henry Lin 教授提出水文土壤学，并定义为以景观–土壤–水系统为研究对象，以土壤结构的自然属性和水的驱动特性为基础，综合研究不同时间和空间尺度上的土壤与水相互作用的物理、化学和生物过程及其反馈机制，包括水分和化学物质运移，能量转化，以及土壤分布与水文过程和地貌过程的相互作用关系等，揭示水分在土壤中的运动规律及其对土壤发育和功能的内在影响机理（ Lin et al. ， 2005 ；李小雁和马育军， 2008 ）。

水文土壤学的研究区域在垂直方向上为地下水面以上的包气带，包括土壤层（根系层）和深层包气带； 在水平方向上包括三个空间尺度，即微观尺度（土壤孔隙和团聚体）、中尺度［土体或土链（catena）］和宏观尺度（流域、区域或全球）； 在时间尺度上，水文土壤学研究可以为秒（瞬时）、小时、月、年甚至地质时代。

▲ 水文土壤学研究的空间尺度和范围（Lin，2003）

 

水文土壤学利用系统的思路从多尺度综合研究水与土壤的相互作用关系，在过去近二十年的发展中得到国际学术界的普遍关注与认可。 水文土壤学对于实现联合国可持续发展目标至关重要，因为土壤健康和水资源管理是联合国千年发展目标（Millennium Development Goals，MDG） 的核心问题， 其中水土研究与目标六（SDG#6） 清洁饮水和卫生设施密切相关。

水文土壤学自2003 年创立以来，已取得了长足发展。 基于Hydropedology 主题词在Web of Science 数据库查询结果表明，自2003 年以来，共有181篇水文土壤学相关英文论文发表，每年发表论文数量呈现波动上升。在所有英文文献中，美国发表数量最多，达到84 篇；中国发表数量位于第二位，为68 篇；其次是英国、德国和南非等国家。词云分析结果显示，土壤、水和生物是水文土壤学的主要研究主题，注重水文过程与土壤过程的相互作用、突出对格局和过程的理解、强调不同时空尺度的转换是水文土壤学的核心思想，制图、观测、模拟是水文土壤学的重要研究手段。

 

▲ 2003～2021年水文土壤学研究英文文献统计

（a）不同年份发文量，（b）水文土壤学词云图，（c）不同国家发文量（基于Hydropedology 主题词于2022 年6 月22 日在Web of Science 数据库查询结果）

 

美国的水文土壤学研究 主要集中在地球关键带的结构、水土作用过程与关键带功能方面，如美国的Shale Hill 关键带观测站重点通过地貌学、地球化学、地球物理、景观演化和水文土壤学相结合的方法综合研究页岩风化层的形成、演化和结构及其对水分传输路径、流速和停留时间的影响。主要关注以下研究主题：①关键带各种水的相对年龄、滞留时间及其与岩石、植被、土壤水及地下水的关联。②应用地球物理、水文、同位素、土壤和生态观测方法辨识流域优势流的路径及阈值行为。③在不同风化层深度和坡面部位植物蒸腾和根系分布对水分散失的作用。④风化层形成过程对土壤结构及地下优势流分布网络如何影响？如何对结构进行参数化预测水文响应。

 

▲ 地球关键带及其构成示意

 

目前，地球关键带水文与土壤过程的多尺度耦合和响应机制是水文土壤学研究的热点科学问题， 地球关键带水文土壤学未来研究的主要科学问题 包括：①地球关键带成土过程、土壤演变与水文过程相互作用机制；②地球关键带水分 – 养分 – 污染物迁移转化的时空变异规律与主控因素；③土壤结构的定量化、土壤异质性及其水文参数定量表达；④土壤功能如何响应土地利用、侵蚀和其他人类干扰，以及土壤水文过程在不同时空尺度上如何影响生态系统演变。

欧洲的水文土壤学研究 更多侧重于定量刻画土壤结构、过程和功能，发展土壤过程集成模型（Vereecken et al.，2016），主要关注土壤演化过程，量化土地利用和气候变化对土壤功能和服务价值的影响，构建欧洲土壤威胁和减缓措施的GIS 评价框架。近年来欧洲利用地球物理探测技术，如计算机断层扫描技术、电磁感应方法、高密度电阻率法和探地雷达等在土柱、剖面、坡面、小流域等尺度的土壤结构与物理性质探测方面取得了新进展。然而，水文土壤过程的尺度问题仍是难点和瓶颈（Vogel，2019）。

在非洲，水文土壤学得到重视和发展。 南非的政府部门和工业公司把水文土壤学作为制定水资源管理策略的重要工具，在土壤分类中考虑了水文土壤属性参数，建立了南非水文土壤功能单元，成功应用到土壤和水污染的控制、湿地保护与修复和水资源利用与保护方面（van Tol，2020）。

 

国内水文土壤学研究 进展相对缓慢，2011 年 北京师范大学 率先在国内开设《水文土壤学》研究生课程，并在我国干旱半干旱区开展了较为系统的水文土壤学野外观测与模型模拟研究。在国家自然科学基金重点项目“青海湖流域关键带碳水过程及其生态功能变化”等的支持下，我们全面总结国内外已有研究成果，组织撰写   《水文土壤学导论》   （李小雁等著 . 北京：科学出版社，2023） ，尝试从学科体系角度归纳水文土壤学概念、理论、方法和在生态环境研究中的应用。